TW323410B - Dual/multiple voltage level input switching power supply - Google Patents

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經濟部中央標準局員工消費合作社印製 獅 4ί0 Α7 Β7 五、發明説明（I ) 本發明是有關一種切換式電源供應系統’特別是有關 一種可以接於兩個或多個不同電壓之電力源之切換式電源 供應系統。更進一步的說，本發明是有關於一種切換式電 源供應系統，其至少具有一較高電壓之電力源輸入，及另 一個較低電壓之電力源輸入，而第二個電力源可以在第一 個電力源供應不正常時，支援電力之供應而成爲備用電力 源。 習見之切換式電源供應系統（如圖6所示），只有一 個輸入端可接到一個外部之電力供應源。現代之電腦系統 中，另一個電池組成的第二電力源常常被用來當成備用電 力源，以備在主電力源（通常是AC110V/60HZ之商用電 源）無法正常供電時，支援供電。舉例來說，一個電腦系 統如果需要不中斷之電力供應，則必須在其切換式電源供 應器之電源輸入端插入一個不斷電系統（Uninterrupted Power Supply，U.P.S.)，圖1中即爲一個傳統之切換式 電源供應系統搭配一個不斷電系統之方塊圖。 如圖1中所示，當交流電源中斷時，不斷電系統即會 開始將備用電池之直流電力轉換成交流電以供應切換式電 源供應系統使用，由此可獲得一個不中斷之電力輸出。 由以上之說明，可知道傳統之切換式電源供應系統被 設計爲只能接到一個電力供應源。如果該切換式電源供應 系統設計爲接到商用之交流電源（110V/60HZ)使用時，外 接之不斷電系統則必須使用一組直流轉交流之轉換電路， 先將備用電池之直流電轉成交流110V/60HZ之後，才可以 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) _裝. .1 本紙張尺度適用中國國家樣準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 經濟部中央揉準局工消费合作社印裂 A7 _B7 _ 五、發明説明（21 ) 將備用電力送入該切換式電源供應系統，供其使用。此一 直流與交流之轉換需要一個非常複雜之電路，而且轉換過 程中會引起雜訊並造成效率損失（電力損失），並且此電 路需要高成本來製造，除此之外，轉換時效率損失會縮短 備用電池之供電時間。 另外，在現代的筆記型電腦中，其電源供應系統通常 包含一外接式之交流轉直流之穩壓器（Adaptor)，一個內 藏式充電電池及一內藏的切換式電源供應器。當商用之交 流電源可取得時，該交流轉直流之穩壓器可用來接上商用 交流電，並將之轉換成低壓直流電後，接到筆記型電腦內 之切換式電源供應器供電腦使用。當無法使用商用交流電 時，內藏之電池則可做爲電腦之供電源。其內部之切換式 電源供應器被設計成使用電池之低壓直流電做爲輸入（通 常爲12伏到24伏直流電壓），並將之轉換成各種系統所需 之電壓輸出。當使用商用交流電（通常爲110V/60HZ ) 做爲供電源時，則必須先利用交流轉直流穩壓器，先將交 流電轉成與電池電壓相同的直流低電壓後，才可接往其切 換式電源供應器使用。該交流轉直流穩壓器需要額外之製 造成本，並且其重量及體積大大減低了筆記型電腦之可攜 性。 有鑑於傳統之切換式電源供應器有上述之缺點，本發 明旨在提供一種改良的切換式電源供應系統，以提供第二 個電力輸入端以便接到另一個具有不同電壓之電力源，而 且本發明之改良式切換式電源供應系統其輸出電壓不會因 2 1·-------f -裝-----；-釘|-----{線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度逍用中國國家標準（CNS > A4规格（210X297公釐） 323410 A7 B7 五、發明说明（3 ) 主電力供應源發生斷電而受影響或中斷。 根據本發明，主電力供應源接到切換式電源供應器的 第一個輸入端，而將之轉換成輸出電壓之切換電路和傳統 的切換式電源供應器相同。第二個電力供應源，具有與主 電力供應源不同之電壓，則會接到改良之切換式電源供應 系統的第二個輸入端。 切換式電源供應器之輸出電壓可能由於以下幾種狀況 受到干擾或中斷：當主電力源斷電時，或主電力源之電力 不足以供應負載時，或主電力源之電壓不穩時，或是負載 電流過大而產生漣波時。 當上述的干擾狀況發生時，監視電路會自動啓動第二 電力源的供電電路並開始轉換第二電力源之電力，以獲得 所需之輸出電壓。因此，該輸出電壓即不受主電力源之中 斷、過低或不穩定之因素而被干擾。當主電力源恢復正常 時，監視電路即會關閉使用第二電力源之電力，而再度使 用主電力源之電力來轉換成輸出電壓。 此外，主電力源更可以在第二備用電源需要充電時， 做爲其充電電源使用。 是故，本發明之一目的在去除傳統不斷電系統中的直 流轉交流之轉換電路。根據本發明，備用電池可以直接接 到切換式電源供應器之第二輸入端，並且可以直接將其低 壓直流電轉換成所需的輸出電壓。傳統不斷電系統中所必 須的直流轉交流轉換電路已不再需要，因此其製造成本遠 低於傳統式的不斷電系統。 3 ^ 人 —裝 n t^i Ji J— ϋ 線 ► 一 (請先閲讀背面之注$項再填寫本頁) 經濟部中央橾準局貝工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家棣準（CNS ) A4規格（210X297公漦) 經濟部中央橾準局I工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（斗） 本發明之另一目的在將備用電源直接接入切換式電源 供應系統並直接將之轉換成所需之輸出電壓，以消除傳統 之不斷電系統中，直流轉交流過程中所造成的轉換效率損 失，並由此延長備用電源之供電時間。 本發明之又一目的在提供更穩定的輸出電壓，及降低 備用電源之反應時間。此是由於當主電力源電力不穩或中 斷時，或輸出端之負載電流突然加大而超出主電力源之瞬 間供電能力時，第二電力源之電力會立即被啓用並支援主 電力源，由此可獲得較穩定之輸出。而由於備用電源是直 接接入本發明之切換式電源供應系統，不需要再經過直流 轉交流轉換電路之轉換，因此反應時間可大幅縮短。 本發明之再一目的則在消除筆記型電腦所使用的交流 轉直流穩壓器。根據本發明之切換式電源供應系統，從交 流電經整流濾波後的高壓直流電及從充電電池來的低壓直 流電可以同時接到本發明之切換式電源供應系統中。交流 轉直流之穩壓器則因此可以用一簡單小型的整流濾波電路 所取代，因此其生產成本大幅降低且筆記型電腦之重量可 大幅減輕，其可攜性大幅提高。 至於本發明之切換式電源供應系統，其詳細構成與功 能，則參照下歹(1依附圖所作之說明即可得到完全的了解。 附圖者： 第1圖爲一傳統之切換式電源供應器外接一不斷電系 統之方塊圖。 第2圖爲本發明之一系統方塊圖。 4 本紙張尺度適用中國國家榇準（CNS ) A4規格（210X297公釐） I--------^ I 裝-------訂-----(.線 -- (請先閲讀背面之注$項再填寫本頁) A7 B7 323410 五、發明说明（5) 第3圖爲本發明之另一種構成之系統方塊圖。 第4圖爲第2圖方塊圖之系統實施例圖。 第5圖爲第3圖方塊圖之系統實施例圖。 第6圖爲傳統之切換式電源供應器之實施例圖。 如圖2及圖4所示本發明之切換式電源供應系統包括： 一個整流電路1將交流電源整流成直流電壓，該直流 電壓則接到轉換電路2及監視電路7。 轉換電路2具有兩組輸入用之初級轉換電路，或稱爲 初級線圈，各接到兩個不同的電力源。若有需要，可再擴 充成多組輸入及多組輸出電路。第一組輸入電路給主電力 源使用，此部份線路與傳統之切換式電源供應器並無不 同，第二組輸入電路則是給第二電力源使用。 第一組輸入電路接到整流器1之輸出端並且配合主電 力源之電壓高低來設計而成。

第二組輸入電路則配合第二電力源之電壓而設計，通 常其電壓都比主電力源低。第二組輸入電路之設計旨在配 合第二電力源之電壓使其在初級線圈中能產生足夠之電流 量及磁通量，並藉以轉換成轉換電路2之輸出電流。第一 組輸入電路及第二組輸入電路皆放在轉換電路2中，並且 使用一個變壓器即可設計在一起，而不須利用額外的D C —A C轉換器將第二電力源提升到與主電力源相同之電壓 水平。 當主電力源之第一組輸入電路無法產生足夠之電流及 _量以供電力轉換時，第二電力源之電力即會被啓用並 5 ( CNS ) ( 210X297^*] ---- —； 111-{ I 裝 I ϋ n I ^ Ji n n n n ^ 線 *- (請先閱讀背面之注$項再填寫本頁) 經濟部中央橾準局貝工消費合作杜印製 經濟部中央標準局員工消费合作社印装 A7 B7 五、發明説明（6) 補足主電力源所無法提供的部份。 主電力源及第二電力源流經轉換電路2之電流分別受 第一切換電路4及第二切換電路6之控制。轉換電路2之 輸出電壓則接到第一個波寬調變電路3及第二個波寬調變 電路5做爲電壓回授之用。主電力源及第二電力源之電力 則是經由流經轉換電路2中的電流轉換成所需的輸出電 壓。 如前所述，第一個波寬調變電路3接到轉換電路2之 輸出，波寬調變電路3產生一脈波信號接到切換電路4並 藉以控制切換電路4之開關動作，由此控制主電力源流經 轉換電路2的電流。波寬調變電路3之另一輸出接往監視 電路7以便監視主電力源所屬之切換電路工作之情形。 第二個波寬調變電路5接到轉換電路2之輸出及監視 電路7之輸出。波寬調變電路5產生一脈波信號接到切換 電路6並控制切換電路6之開關動作，由此控制第二電力 源流經轉換電路2的電流。監視電路7的輸出則控制波寬 調變電路5的動作，並在偵測到主電力源發生電壓過低、 中斷、或無法提供足夠電力時給負載時，啓動波寬調變電 路5以便開始使用第二電力源。 如前所述，第一組切換電路4接到波寬調變電路3之 輸出及轉換電路2之第一組輸入，切換電路4是一開關電 路，受波寬調變電路3之輸出脈波控制。切換電路4則控 制主電力源流經轉換電路2中的電流。 如前所述，第二組切換電路6接到波寬調變電路5之 6 J-------ί I裝------訂丨----(線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本页) 本紙張尺度適用中國國家橾準（CNS ) Α4规格（210Χ297公釐） 經濟部中央揉準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（7 ) 輸出及轉換電路2之第二組輸入。切換電路6是一開關電 路，受波寬調變電路5之輸出脈波控制。切換電路6則控 制第二電力源流經轉換電路2中的電流。 如前所述，監視電路7連到波寬調變電路3之一輸 出，及整流電路1的輸出。監視電路7之輸出接到波寬調 變電路5以便控制波寬調變電路5之動作，以至於控制第 二電力源之供電。當整流電路1之輸出電壓過低或波寬調 變電路3之輸出顯示出過載之狀況時，監視電路7即會啓 動波寬調變調變電路5以便使系統使用第二電力源之電力 供電。 如圖3及圖5所示，爲另一種根據本發明^9切換式電 源供應系統包括：一個整流電路1，一個轉換電路2，一 個波寬調變電路3，一個切換電路4及一個監視電路7， 每一個前述電路都如圖2及圖4中所示者相同，而本系統 中的第二電力源則設計成和主電力源共用一組切換控制電 路。因此，圖2及圖4中的第二組波寬調變電路5及切換 電路6則在圖3及圖5中被省略，而圖3及圖5中的第二 電力源之供電流則被一新加的開關電路8所控制，開關電 路8則接到監視電路7之輸出並受其所控制。當監視電路 7決定第二電力源必須支援供電時，開關8會被啓動，使 第二電力源經由第二組輸入供電給轉換電路2。轉換電路 2中的第一組及第二組輸入電路皆接到切換電路4及波寬 調變電路3所組成的控制電路，其動作原理和圖2及圖4 之說明相同。 7 本紙張尺度適用中國®家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 83. 3.10,000 I.-------ί -I-----—4Τ—------ ^ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央梂準局負工消费合作杜印製 A7 B7 五、發明説明（8 ) 總之’本發明之切換式電源供應系統可同時直接接到 兩個或多個不同電壓之電力源上。因此，不斷電系統中的 備用電池可以直接接到切換式電源供應系統中，省去了傳 統不斷電系統中所必須的直流轉交流之轉換電路。並且在 傳統不斷電系統中直流轉換成交流時產生的電力損失也不 再存在’因而使備用電池之供電時間可比傳統式延長。同 時由於不需要直流-交流轉換即可使用備用電力，備用電力 之反應時間也比傳統不斷電系統要短。由於本發明之切換 式電源供應系統可同時使用兩組電力源，其輸出電壓可比 傳統式更穩定’尤其是當負載電流突然加大而超越主電力 源之瞬間供電能力時。 此外，例如當筆記型電腦裝置本發明之切換式電源供 應器時’其原有之交流轉直流穩壓器可以用一組簡單的整 流濾波電路所取代，因此筆記型電腦之製造成本及重量皆 可大幅降低。 由上所述，本發明之切換式電源供應系統，確實具備 利用價値，合於專利法對新發明專利之要件，懇請賜准專 利，實爲德便。 根據本發明之其他組合及變化，只要具有電路設計能 力之一般工程師皆可輕易的了解及產生。雖然前述說明詳 細的解說了本發明，但不表示本發明只限於前述之組合及 應用，只要具備電路設計能力之一般工程人員皆可藉由本 發明所述之方法，衍生各種應用電路及組合。 8 本紙張尺度逋用中國國家橾準（CNS > A4规格（210X297公釐） m (請先閲讀背面之注$項再填寫本頁) 訂 線·

Claims (1)

1. 經濟部中央標準局貝工消费合作社印製 B8 以年/與//¾.象也更正’補鬼 D8 ___ ----- : ί ' 六、申請專利範圍 1·一種切換式電源供應系統包括： 一個整流電路將一個交流主電力源整流成一個直流電 壓，該整流電路之輸出接到一轉換電路； 一個第二電力源； 前述之轉換電路具有第一組及第二組電源輸入端’第 一組輸入端經由整流電蹲接到主電力源’第二組輸入端則 接到第二電力滬’轉換電路另有第一組及第二組控制輸入 分別接到第一組及第二組切換電路’並分別控制主電力源 及第二電力源流入轉換電路之電流，轉換電路之輸出則接 到負載上，並接回第一組及第二組波寬調變電路做爲電壓 回授控制之用； 第一組波寬調變電路之輸入接到轉換電路之輸出，該 波寬調變電路之第一組輸出接到第一組切換電路之控制輸 入端，第二組輸出則接到一個監視電路，轉換電路之輸出 乃做爲第一組波寬調變電路之回授控制信號，而第一組波 寬調變電路之第一組輸出脈波乃用以控制第一組切換電路 之開與關之動作；其第二組輸出則做爲監視電路之監視信 號，以監覗主電力源所屬之第一組切換電路之工作狀況； 第二組波寬調變電路之犄入接到轉換電路之輸出，第 二組波寬調變電路之輸出接到第二組切換電路之控制輸入 端；轉換電路之輸出乃做爲第二組波寬調變電路之回授控 制信號’而第二組波寬調變電路之輯ί出脈波則用以控制第 二組切換電路之開與關之動作；監視電路之輸出信號則根 據主電力源之供電情形控制第二組波寬調變電路之動作； 本紙張尺度適用中國國家榡準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） --.-------------1Τ------線' _ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消贽合作社印製 S2s4l〇 ! —；________^ 六、申請專利範圍 第一組切換電路接到上述之第一組波寬調變電路及轉 換電路；第一組切換電路之開與關動作受第一組波寬調變 電路之輸出脈波控制，並藉此開、關之動作控制主電力源 流入轉換電，之電流； 第二組切換電路接到J;述之第二組波寬調變電路及轉 ^«路’第二組切換電路之開與關之動作受第二組波寬調 變電路之輸出脈波控制，並藉此開、關動作控制第二電力 源流入轉換電路之電流； 監視電路接到整流霉路之輸出及第一組波寬調變電路 之〜輸出，監視電路之輸出則接到第二組波寬調變電路； 監視電路監視著整流電路之電壓及第一組波寘調變電路之 電壓’如果有電力供應不足之狀況發生時，監視電路會啓 ®第二組切換電路，使系統啓用第二澤:力源之電力供應。 2·s個切換式電源供應系統包括： 一個整流電路將一個交流主電力源整流成一個直流電 壓，該整流電路之輸出接到一轉換電路； 第二電力源； 茚述之轉換電路具有第一組及第二組輸入端，第一組 «入端經由整流電路接到主電力源，第二組輸入端則經由 一個電流開關接到第二電力源，轉換電路之一控制輸入端 接到一切換電路，該切換電路控制主電力源及第二電力源 流入轉換電路之電流；轉換電路之輸出接到負載上及一個 波寬調變電路上，做爲回授控制之用； (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 線 本紙張尺度適用中國國家榡準（CNS ) M規格（210X297公釐〉 經濟部中央標準局員工消費合作社印装 A8 B8 C8 D8 ____ 六、申請專利範圍 前述之波寬調變電路之輸出接到切換電路之控制輸入 端及監視電躋上，轉換電路之輸出接到波寬調變電路做爲 回按控制信號，而波寬調變電路之輸出脈波則接到切換電 路之控偷輸入端，控制切換電路之開、關動作；另一輸出 接到監視電路做爲切換電路工作狀況之監視信號； 切換電路之輸入接到波寬調變電路，輸出接到轉換電 路，切換電路之開、關動作受波寬調變電略之輸出脈波控 制，其輸出則控制轉換電路中之切換電流； 監視電路之《ί入接到整流電路及波寬調變電路之輸 出，其輸出接到第二電力源上的電流開關；從整流電路及 波寬調變電路取得之電壓信號由監視電路監視’當偵測到 電力供應不足之狀況時，監視電路即啓動電流開關使系統 使用第二電力源之電力。 3.—種切換式電源供應系統包含： (a) —個轉換電路；包含第一組輸入端可接到一 個主電力源及第二組輸入端可接到第二個電力源； (b) —個電源供應輸出可接到負載上； (c) 一種方法，可產生穩定的輸出電壓； (d ) —種方法，'可以偵測到電力不足之狀況，所 述之電力不足之狀況爲下列其中之一：當主電力源電壓下 降到第一種特定電壓以下時，或所述之輸出電壓下降到第 二種特定之電壓以下時，或所述之主電力源有過載之情況 產生時； 1 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） . 《_ 、訂------線「 (請先閲讀背面之注$項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 ____ D8 六、申請專利範圍1 (e)—種方法，可以在偵測到上述之電力不足情 況時使系統啓用上述之第二個電力源，以及所述之產生穩 定輸出電壓之方法，及偵測電力不足狀況之方法，及在偵 測到電力不足時，使系統啓用第二電力源之方法，包含： (i) 一個第一組切換電路，控制著前述之主電力 源流入前述轉換電路之第一組輸入端之電流； (ii ) 一個第一組波寬調變電路，控制前述之第一 組切換電路之開關動作，並藉此穩定前述之電源供應輸 出； (Hi )—個第二組切換電路，控制前述之第二個電 力源流經前述之轉換電路之第二組輸入端之電流； (iv) —個第二組波寬調變電路，控制前述之第二 組切換電路之開關動作，並藉此穩定前述之電源供應輸 出； (v) —個藍視電路，監視前述之第一組輸入端取 得之一電壓及前述第一組波寬調變電路之一輸出電壓，前 述之監視電路將從前述第一組輸入端取得之電壓及前述之 第一組波寫調變電路之輸出電壓與一參考電壓比較，當第 一組輸入端取得之電壓或第一組波寬調變電路之輸出電壓 比參考電壓低時，前述之監視電路，即會啓動前述第亡組 波寬調變電路。 4·〜種切換式電源供應系統包會： (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 本紙張;ot適用中國國家裙準（CNS)八4娜_ (21〇χ297公釐） 經濟部中央標準局員工消费合作社印製 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 (a) —個轉換電路，包含第一組輸入端可接到一 個主電力源及第二組輸入端可接到第二個電力源； (b) —個電源供應輸出可接到負載上； (c) 一種方法，可產生穩定的輸出電壓， (d) —種方法，可以偵測到電力不足之狀況’所 述之電力不足之狀況爲下列其中之一：當主電力源電壓下 降到第一種特定電壓以下時，或所述之輸出電壓下降到第 二種特定之電壓以下時，或所述之主電力源有過載之情況 產生時； (e) —種方法，可以在偵測到上述之電力不足情 況時使系統啓用上述之第二個電力源，以及所述之產生穩 定輸出電壓之方法，及偵測電力不足狀況之方法，及在偵 測到電力不足時，使系統啓用第二電力源之方法，包含： (i ) 一個切換電路/控制著前述之主電力源及前 述之第二個電力源流入前述轉換電路之輸入端之電流； (i i ) 一個波寬調變電路，控制前述之切換電路之 開關動作，並藉此穩定前述之電源供應輸出； (i i i )一個開關，該開關置於前述之第二電力源及 前述之轉換電路之間，當電力不足之狀況發生時，則該開 關會導通； (iv) —個監視電路，該監視電路犛視從前述第一 組輸入端取得之電壓及從前述波寬調變電路取得之—輸出 電壓’該監視電路將第一組輸入端取得之電壓及從波寬調 變電路之輸出電壓與一參考電壓做比較，當第一組輸入端 本紙張尺度適用中國國家榇準（CNS ) M規格（210X297公釐） I-.-------{ .------^------線「 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消费合作社印製 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 取得之電壓或是波寬調變電路之輸出電壓比參考電壓低 時，該監視電路會使前述之開關導逋。 / 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ^ 訂 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)